太阳能-土壤源热泵联合系统优化配置的研究

太阳能-土壤源热泵联合系统优化配置的研究

发表时间：2019-05-20T15:50:22.187Z 来源：《防护工程》2019年第3期作者：郭焕丽陈忠海孟佳杰刘忠峰杨鹏郑雅婷孙

[导读] 利用TRNSYS建模，以太阳能资源较富地区实践工程参数为模拟初始参数，对太阳能-土壤源热泵联合系统进行模拟优化。

河北建筑工程学院

摘要：利用TRNSYS建模，以太阳能资源较富地区实践工程参数为模拟初始参数，对太阳能-土壤源热泵联合系统进行模拟优化。在热泵机组规模确定的基础上，从土壤全年热平衡的角度进行优化，得出集热器面积/建筑面积的最佳配比。

关键词：太阳能；土壤源热泵；土壤全年热平衡；集热器面积；

引言：

太阳能采暖系统和土壤源热泵采暖系统都是节能环保的系统，但在使用过程中均存在缺点：在北方大多数采暖地区，冬季所需热负荷较大，若只用土壤源热泵冬季供暖，冬季吸热量大于夏季向土壤的排热量，系统常年使用就会导致冬季土壤温度逐年降低，系统COP降低。若只用太阳能采暖系统，所需要的太阳能集热器面积过大，投资成本过高，占用空间较大。基于此背景提出太阳能-土壤源热泵联合系统。但要达到高效节能的目的，需要对这个系统进行匹配优化研究。本文在确定最佳热泵机组的规模下，优化集热器面积，得出集热器面积/建筑面积的最佳配比。

1太阳能-土壤源热泵系统

系统主要由太阳能集热器、蓄热水箱、板式换热器、地埋管换热器、热泵机组、循环水泵和用户末端及管道等配套设施组成。夏季需要制冷时，利用地源热泵将建筑物的热量转移到地下，秋季利用太阳能集热系统向土壤蓄热，冬季需要供暖时，以土壤源热泵系统为主，太阳能系统为辅助热源，但运行策略上要优先采用太阳能。在冬季太阳辐射强烈，蓄热水箱出口水温进入蒸发器后，冷凝器测热量能满足用户的供暖需求则优先启用太阳能热泵进行供热。土壤层温度进入自然恢复阶段，温度开始上升；但遭遇阴雨天气或其他太阳能辐射较弱时，则关闭太阳能热泵系统，开启土壤源热泵系统单独供热[1]。

全年运行流程为：

2.2.2蓄热水箱的设计

根据当地气候条件、太阳辐射强度、集热器面积及水箱内介质的热物性，每平米太阳能集热器对应的水箱容积取100。

2.2.3土壤源热泵系统的设计

（1）地埋管系统设计

地埋管形式为垂直双U，采用同程连接。埋管深度100m，采用专用土壤源热泵专用PE管，管径为DN32。冬季工况（5℃/1.5m3/h）每延米地埋管换热器换热量为38.02W/m，夏季工况（35℃/1.5m3/h）每延米地埋管换热器换热量为76.42W/m。

（2）热泵机组的选择

在太阳能-土壤源热泵联合系统中，因为太阳能是不稳定的热源，为了满足末端的供热的需求，在设计工况下，地源热泵系统的容量配比不能减少，必须按照没有太阳能系统来配置地源热泵的主机、水泵、地埋管数量等[3]。

3系统模型的建立

3.1建立太阳能-土壤源热泵仿真模型

采用TRNSYS16作为模拟平台建立太阳能土壤源热泵耦合系统。本次系统中以实际工程的参数作为模拟设置参数的主要参考来源。建立仿真模型如下：

图2 全年逐时负荷与室外环境温度

3.3数学模型

3.3.1太阳能集热器

系统模拟中采用Type71作为真空管太阳能集热器的理论模型，其每个模拟步长内的运行热特性则使用Hottel-Whillier模型来评估。得到集热器的热效率方程如下：

4太阳能集热器面积的优化

4.1集热器面积优方法

在太阳能-土壤源热泵联合系统中，若集热器面积过大，土壤蓄存的热量过多，冬季热泵不能将蓄存的热量取出，那么土壤温度就会逐

年上升，破坏土壤热平衡；若集热器面积太小，冬季太阳能提供的热量就会减少，热泵取热量增加，土壤温度逐年下降，破坏土壤热平

衡。本文从土壤全年热平衡的角度对集热器面积进行优化，整理得到集热器面积计算公式如下[1]:

归纳得到，与集热器面积有关的7个系数，包括太阳能保证率?，热泵制热、制冷性能系数COP、EER，太阳能集热器过渡季蓄热率μ，土壤全年蓄热损失率η过渡季太阳能土壤蓄热时间[1]。各系数估算取值如表4。

表4 相关系数估算取值

图3土壤全年平均温度变化趋势

从图中看出土壤初始温度为13℃，经夏季制冷期结束后土壤平均温度升高9.05℃，过渡季太阳能土壤蓄热后，土壤温度上升至

22.79℃，冬季太阳能-土壤源热泵联合系统供暖运行后，土壤平均温度降低到12.38℃。采暖期温度降低了10.41℃，经过春季土壤温度恢复

后，土壤平均温度上升到12.71℃，相比夏季制冷期土壤初温降低了0.29℃，土壤温度回复率为97.8%。说明利用上述优化方法选取的集热器面积914.1m2在土壤源热泵规模确定的情况下可以作为系统最佳集热器面积。

结论：对于太阳能资源较富地区，本文以呼和浩特市为例，在太阳能-土壤源热泵系统集热器面积优化前，集热器面积/建筑采暖面积为0.139，优化后比值为0.127，优化前后缩小率约为9%。本文所得出的结论以期为其他相似地区的实践工程提供参考。

参考文献：

[1]张悦. 太阳能-土壤源热泵系统组合匹配优化研究[D].西安建筑科技大学,2014.

[2]张萌. 季节蓄热型太阳能—土壤耦合热泵系统的设计优化研究[D].西安建筑科技大学,2013.

[3]冯晓梅,张昕宇,邹瑜,郑瑞澄.太阳能与地源热泵复合系统的优化配置与运行方式[J].暖通空调,2011,41(12):79-83.

[4]宋钦忠. 青岛地区太阳能—土壤源热泵系统的优化设计研究[D].青岛理工大学,2017.

[5]陈娜. 严寒地区太阳能-土壤源热泵供暖系统关键设备的优化[D].哈尔滨工业大学,2010.